[发明专利]一种稀磁半导体材料(Ca,Na)(Zn,Mn)2As2及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有CaAl₂Si₂结构的稀磁半导体材料，尤其涉及一种化学结构通式为(Ca_1-xNa_x)(Zn_1-yMn_y)₂As₂的稀磁半导体材料。

背景技术

稀磁半导体材料由于在自旋电子器件领域的潜在应用，而获得广泛关注。稀磁半导体一般是通过在半导体中引入少量的磁性离子而得到。典型的基于III-V族半导体,例如(Ga,Mn)As和(Ga,Mn)N(H.Ohno,et al.,Science281,951-956(1998))，Mn²⁺替代Ga³⁺，由于不等价替代，导致很有限的化学溶解度，只能以外延薄膜的形式制备，并且载流子和自旋不能分别进行调控。

最近，基于I-Ⅱ-Ⅴ族半导体LiZnAs的稀磁半导体Li(Zn,Mn)As被成功制备。(Z.Deng et al.,Nature Communications2:422(2011))。在这个体系中，载流子通过元素Li的含量来控制，自旋通过Mn²⁺替代Zn²⁺的量来调控。但其50K的铁磁转变温度要远低于(Ga,Mn)As中大约180K的铁磁转变温度。

通过电荷和自旋分离注入机制制备成功的新型稀磁半导体晶体(Ba_1-xK_x)(Zn_1-yMn_y)₂As₂，(K.Zhao et al.,Nature Communications4:1442(2013))具有四方ThCr₂Si₂的晶体结构，空间对称群是I4/mmm，和铁基超导体(Ba,K)Fe₂As₂和反铁磁体BaMn₂As₂有同样的结构，其铁磁转变温度可达220K。

然而现有技术中的稀磁半导体材料在空气中的稳定性通常较差，难以在空气中长期稳定的存在，影响了稀磁半导体的应用。

发明内容

本发明提供了一种新的稀磁半导体材料(Ca,Na)(Zn,Mn)₂As₂，该稀磁半导体材料在空气中可以稳定存在。

本发明提供一种稀磁半导体材料，其化学式为 (Ca_1-xNa_x)(Zn_1-yMn_y)₂As₂，其中0<x<0.2，0<y<0.3。

根据本发明提供的稀磁半导体材料，其中所述稀磁半导体材料的晶体结构属六方晶系。

根据本发明提供的稀磁半导体材料，其中x＝0.1，y＝0.2。

本发明还提供了一种制备稀磁半导体材料的方法，利用固相反应法，在与氧隔离的环境中烧结前躯体，形成(Ca_1-xNa_x)(Zn_1-yMn_y)₂As₂，0<x<0.2，0<y<0.3，其中所述前躯体的物质选自如下物质构成的组：Ca、Na、Zn、Mn、As、CaAs、Na₃As，其中各种物质的含量满足所要制备的稀磁半导体材料(Ca_1-xNa_x)(Zn_1-yMn_y)₂As₂中各种元素的配比，其中固相反应法所采用的烧结温度为600-1000℃。

根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在常压下进行。

根据本发明提供的方法，其中所述烧结过程在高于一个大气压的压力下进行。

根据本发明提供的方法，其中所述压力为1-20GPa。

根据本发明提供的方法，其中所述前躯体包括Ca、Na、Zn、Mn、As。

根据本发明提供的方法，其中所述前躯体包括Ca、ZnAs、Mn、As、Na₃As。